基本介紹
- 中文名：變形機翼
- 外文名：Deformed wing
- 靈感源於：人們對鳥兒飛行的認識
- 研究國家：美國
- 關鍵部件：新型壓電作動器
發展沿革,種類,關鍵技術,外形的最佳化設計,結構,激勵器,空氣動力學,控制,引擎,子系統的整合,
發展沿革
機翼是飛行器在飛行中可重新構型的主要部件。在飛行中有目的地改變機翼外形(如機翼後掠、改變翼展和彎度等)，可以有效地增加機翼的效率。其中，改變翼展和機翼面積的效果最為突出。比如，飛機在巡航時通常要求機翼具有高展弦比和大機翼面積，而要想高速飛行，就要求低展弦比和小機翼面積。變形機翼使機翼面積能夠在50%～150%之間變化，分別適應巡航和高速飛行時的需要。為飛機提供更多的升力。但是這種機械運動的襟翼和縫翼笨重、複雜、效率低下，因此，有必要尋找一種無需機械動作就能讓機翼外形在飛行中發生有效改變的方法，使飛機在各種速度下都具有理想的性能。其實，變形機翼結構並非新概念，最早的變形機翼可追溯到1916年的一項專利——可改變幾何形狀的機翼。機翼變形結構經歷了從表面到實質的變化過程。
首先是“調整機翼形狀”。現有的一些飛機具備調整機翼形狀的能力，如美國的F－14“雄貓”戰鬥機、V－22“魚鷹”傾轉旋翼機及F-117隱身戰鬥機等。這些飛機的機翼均為剛性結構，用大型樞軸裝置與機身連線。所謂“調整機翼形狀”，實際上就是將機翼的某一部分移動一定角度或位置，與真正的“變形機翼”概念不是一回事。
其次是“主動氣動彈性機翼”(AAW)。美國航空航天局和空軍研究實驗室正在驗證主動氣動彈性機翼。其開發的“機翼翹面”控制系統類似，是採用副翼和前緣襟翼等傳統控制面從氣動上誘導輕質“柔性機翼”發生扭曲，以改善高性能軍用噴氣飛機的機動能力。
上述兩種機翼的變化都不是實質性的變化。真正的變形機翼概念是將新型智慧型材料、作動器、激勵器、感測器無縫地綜合套用于飛行器的一種新的設計概念。變形機翼通過套用靈敏的感測器和作動器，光滑而持續地改變機翼的形狀，對不斷改變的飛行條件做出回響，從而使飛機能像鳥一樣隨意地在空中進行盤旋、倒飛和側向滑行。也就是說，變形機翼可從根本上改善飛機的巡航和衝刺能力，以及飛行機動能力。
種類
“變形飛機結構”項目首先集中研究機翼的變形技術，設計、製造和試驗能夠確保變形機翼在低速和跨聲速飛行中伸縮150%的部件及配件(例如作動器、連線件、子系統等)。該項目第一階段由三家主承包商承擔，分別從不同的角度，以不同的概念進行研究：
(1)洛克希德·馬丁公司的摺疊機翼概念。這種變形機翼概念是在不同飛行需求下變化機翼形狀。機翼既可以全部展開以利起飛或巡航，也可以全部收縮以利高速或機動飛行。為了測試變形機翼的氣動性能，洛·馬公司專門製造了一架小型無人驗證機。該機由一個推力20千克力的噴氣發動機驅動，機翼設計成摺疊式，內段機翼可以對著機身摺疊，機翼展開後有效面積增加2．8倍。該機未裝配形狀記憶蒙皮和熱聚合激勵器，而是採用壓電作動器摺疊機翼。從
某種意義上講，這種技術代表了後掠機翼的一種先進套用，但也將帶來不利影響——在內段翼倚著機身摺疊時，將會引起局部非定常流動現象。
(2)新一代航空技術公司提出的“滑動蒙皮”機翼概念。辦法是使機翼在飛行中逐漸變大，通過改變機翼的面積和平面外形來最佳化飛機性能。該公司使用的是自己開發、取得專利的微型結構技術，它在改變機翼外形的同時，能夠經受不同的應力。計畫用海軍的“火蜂”無人機機體作為驗證平台。DARPA認為這是三個契約商中最有創意的設計。
(3)雷聲公司的壓縮機翼概念。該公司計畫採用美軍的“戰斧”巡航飛彈作為試驗平台。這種設計的最大挑戰是，在這類武器的彈翼上承受的載荷很高，而巡航飛彈的彈翼又相對較薄，所以用來安裝使彈翼展開和收回的作動器的空間就很有限。
2004年5月，MAS項目進入歷時18個月的第二階段，任務是設計和製造原型變形機翼，於2005年年中在美國航空航天局蘭利研究中心的跨聲速風洞中進行試驗。如果試驗成功，DARPA將選定一家主承包商設計、建造和飛行試驗一個50%縮比尺寸的無人技術驗證機，稱之為MASX飛機。第二階段的契約總計1900萬美元，洛克希德·馬丁公司和新一代航空技術公司各占一半，雷聲公司未能獲得第二階段的契約項目。
(1)洛克希德·馬丁公司的摺疊機翼概念。這種變形機翼概念是在不同飛行需求下變化機翼形狀。機翼既可以全部展開以利起飛或巡航，也可以全部收縮以利高速或機動飛行。為了測試變形機翼的氣動性能，洛·馬公司專門製造了一架小型無人驗證機。該機由一個推力20千克力的噴氣發動機驅動，機翼設計成摺疊式，內段機翼可以對著機身摺疊，機翼展開後有效面積增加2．8倍。該機未裝配形狀記憶蒙皮和熱聚合激勵器，而是採用壓電作動器摺疊機翼。從
某種意義上講，這種技術代表了後掠機翼的一種先進套用，但也將帶來不利影響——在內段翼倚著機身摺疊時，將會引起局部非定常流動現象。
(2)新一代航空技術公司提出的“滑動蒙皮”機翼概念。辦法是使機翼在飛行中逐漸變大，通過改變機翼的面積和平面外形來最佳化飛機性能。該公司使用的是自己開發、取得專利的微型結構技術，它在改變機翼外形的同時，能夠經受不同的應力。計畫用海軍的“火蜂”無人機機體作為驗證平台。DARPA認為這是三個契約商中最有創意的設計。
(3)雷聲公司的壓縮機翼概念。該公司計畫採用美軍的“戰斧”巡航飛彈作為試驗平台。這種設計的最大挑戰是，在這類武器的彈翼上承受的載荷很高，而巡航飛彈的彈翼又相對較薄，所以用來安裝使彈翼展開和收回的作動器的空間就很有限。
2004年5月，MAS項目進入歷時18個月的第二階段，任務是設計和製造原型變形機翼，於2005年年中在美國航空航天局蘭利研究中心的跨聲速風洞中進行試驗。如果試驗成功，DARPA將選定一家主承包商設計、建造和飛行試驗一個50%縮比尺寸的無人技術驗證機，稱之為MASX飛機。第二階段的契約總計1900萬美元，洛克希德·馬丁公司和新一代航空技術公司各占一半，雷聲公司未能獲得第二階段的契約項目。
關鍵技術
對於可變形機構來說，傳統的結構、激勵器、蒙皮、引擎、控制技術已經不再適用了。因為它們不可能使各種可變翼機構同時擁有結構穩定、重量輕、容易控制、氣動性能好。
外形的最佳化設計
與傳統飛機不同，可變形飛機通常有幾種不同的飛行狀態和飛行特性。因此，設計者必須根據各種條件和作動機構可以達到的各種情況來最佳化設計出可行的方案。設計者還要考慮到由於變形帶來的氣動中心的改變和重心的改變給飛機帶來的影響。
結構
傳統的飛機機翼的可動部件要比可變形飛機的少很多，其主要體現在可變形飛機機翼的翼梁、翼肋的連線對結構整體性的影響上。由於機翼內部結構的運動，蒙皮也應該做相應的運動或滑移，這樣使得不該承受力的蒙皮也相應地受到應力的作用，進而使整體結構的剛度下降。在設計可變形機翼的同時也同樣需要考慮由於機翼的反覆運動而導致的結構疲勞和運動滯後的影響。上述這些因素要求我們想出可以有效改變結構大小形狀的方法。對蒙皮來說，其材料需要選擇那些抗大應變和有良好的結構特性的材料(比如：沒有塑性變形、較低疲勞損傷和環境效應)並且驅動方便。
激勵器
飛機在飛行中外形的改變需要激勵器克服氣動力和摩擦力做功，同時需要有更大更強的可以創造空間分配問題的激勵器，因此需要有更好的激勵器。例如：利用氣動力來增強激勵器的功能，這樣就可以減小空間、減小重量、減小功率。
空氣動力學
蒙皮的選擇也是非常重要的，因為它決定了飛機的氣動性能。蒙皮不僅使機翼表面連續，還可以讓機翼的橫截面光滑。滑動蒙皮主要是讓機翼內部的縫隙最小，柔性蒙皮的設計就是使機翼在延伸和收縮時其上均有最小的壓痕，更具挑戰性的是可變翼需要其在任何時候均有最佳的翼型。
控制
在控制方面可變形飛機有兩個挑戰是傳統飛機碰不到的。第一個挑戰是可變形飛機需要適應傳統的控制面，由於可變翼飛機機翼表面是變動的，因此實現這一步並不簡單。另外，為了適應傳統的控制面，我們必須注意飛機在不同姿態下的飛行特性。這個問題可以通過利用機翼在飛機飛行中變形的不對稱性來改進必要的控制結構和運算法則的辦法來解決。因此，機械裝置必須被設計成即使在超高頻率的控制下依然可以用比較少的功率就可以使整個機翼變形。第二個挑戰是運動機構與激勵器的協調以便使人工控制的難度減小到最小。如果並行或分布的激勵器被用於增加穩定性或降低控制難度上的話，控制者就可以以編程的方式對飛機進行控制。
引擎
如果同一架飛機需要執行截然不同類型的任務的話，傳統飛機的發動機設計只要求對單任務進行最佳化設計就可以了。然而對可變形飛機來說，同一個發動機需要在低速和高速下均有良好的性能才可以，因此發動機的可變進氣口和噴嘴就成了必要的設計選擇了。
子系統的整合
即使蒙皮、結構、激勵器、控制等方面的技術均已成熟，將它們和其他輔助設備很好地放人一個小的容器內也是一個挑戰。並且還要保證在飛機變形的過程中，各個系統均不會受到不良影響，並且容易護理和維修。由於可變形飛機可能會比一般的飛機重，因此需要採用新型材料來減輕飛機重量。否則所有的可變形技術均不會成為現實。
